SU1701362A1 - Реакционный аппарат - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к конструкции аппаратов с перемешивающим устройством дл  проведени  в них процессов диспергировани , суспендировани  и др. Оно может найти применение в химической, нефтехимической , медицинской и др. отрасл х промышленности ,ипозвол ет интенсифицировать процесс перемешивани  за счет повышени  эффективности работы теплообменных устройств и создани  многоходового циркул ционного потока, а также расширени  диапазона по минимальному коэффициенту заполнени . Реактор содержит корпус, встроенный кожухотруб- чатый теплообменник с центральной цирку- л ционной трубой, внутри которой размещено винтовое перемешивающее устройство с цилиндрической вставкой. Новым  вл етс  то, что между корпусом и теплообменником устанавливаетс  кольцева  теп- лообменна  камера, по всей высоте которой расположены сквозные отверсти  с уменьшающейс  площадью от 0,8-1,8 до 0,4-0,8 площади вставки по ходу движени  рабочей среды. Дл  обеспечени  многоходового движени  рабочей среды кожухотрубчатый теплообменник сверху снабжен конической перегородкой, а циркул ционна  труба в нижней части соединена с днищем кольцевой теплообменной камеры. Отношение площади кольцевого пространства аппарата к площади труб кожухотрубчатого теплообменника составит 0,8-1,5. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. W VJ О со о ю

Description

Изобретение относитс  к конструкции реакционных аппаратов с перемешивающими устройствами дл  проведени  в них процессов диспергировани , суспендировани  и др. при значительных тепловых нагрузках в химической, нефтехимической, медицинской и др. отрасл х промышленности.

Известен реактор, содержащий корпус, внутри которого размещен теплообменник с центральной трубой с укрепленным в ней перемешивающим устройством, а над циркул ционной трубой с целью интенсификации процесса помещена контактна  тарелка с форсункой.

Этот аппарат характеризуетс  следующими недостатками.

В известном аппарате достаточно эффективно используетс  вс  поверхность теплообмена встроенного кожухотрубчатого теплообменника, так как в данной конструкции наружный кожух теплообменника не омываетс  рабочей средой и поэтому в процессе теплообмена не работает значительна  часть поверхности теплообмена.

Вследствие того, что верхний торец циркул ционной трубы выше уровн  верхней трубной доски теплообменника и расположени  контактной тарелки в верхней части аппарата, аппарат имеет узкий диапазон применени  по коэффициенту заполнени , а именно он работоспособен при значительном коэффициенте заполнени  при р 0,7-0,9, где р - коэффициент заполнени .

Известен также реакционный аппарат, который приемлем дл  ограниченных тепловых нагрузок, так как поверхность теплооб- мена ограничена поверхностью теплообмена только кожухотрубчатого теплообменника и не приемлем дл  больших тепловых нагрузок в св зи с отсутствием дополнительных встроенных теплообмен- ных устройств.

Кроме того, аппарат имеет недостаточно интенсивный теплообмен вследствие того , что расход рабочей среды, создаваемый винтовым перемешивающим устройством раздваиваетс  и направл етс  параллельно одновременно по трубам теплообменника и по кольцевому зазору, Вследствие этого в трубах теплообменника и в радиальном зазоре создаетс  незначительна  скорость рабочей среды, определ ема  частичным расходом. А так как коэффициент теплоотдачи пропорционален скорости среды, т.е. а ш, то уменьшение скорости среды приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи и отводимого (подводимого) теплового потока, соответственно уменьшению эффективности работы теплообменно- го устройства и производительности аппарата в целом. Аппарат характеризуетс  значительными пусковыми нагрузками электродвигател  при минимальном уровне заполнени  аппарата, так как при минимальном уровне заполнени  аппарата дл  начала циркул ционного движени  необходимо создать повышенный напор винтового перемешивающего устройства дл  переброса рабочей среды через верхний торец циркул ционной трубы. Это увеличивает установочную мощность электродвигател , необходимого дл  работы аппарата при минимальном уровне заполнени  и соответственно увеличивает металлоемкость и стоимость аппарата, делает нецелесообразным использование аппарата при минимальном уровне заполнени  аппарата.

Известен реактор, который содержит теплообменник, размещенный между циркул ционной трубой и корпусом аппарата, а

циркул ционна  труба содержит горизонтальные сквозные каналы, расположенные по всей высоте циркул ционной камеры с уменьшающейс  площадью поверхности,

Аппарат позвол ет проводить циркул цию при коэффициенте заполнени  меньше 0,7 вследствие размещени  в циркул ционной трубе сквозных прорезей.

Однако аппарат неприемлем дл  про0 цессов со значительными тепловыми нагрузками , так как в аппарате не создаетс  значительных скоростей из-за отсутстви  многоходовых каналов рабочей среды. Кроме того, в аппарате нет возможности раз5 мещени  теплообменных устройств со значительными поверхност ми теплообмена вследствие того, что значительную часть обьема аппарата нецелесообразно занимает циркул ционна  труба без размещенных

0 в ней теплообменных устройств. Аппарат не применим при минимальных коэффициентах заполнени  при значительных тепловых нагрузках вследствие того, что при минимальном коэффициенте заполнени  среда

5 проходит через нижние прорези в циркул ционной трубе и омывает минимальную поверхность теплообмена, определ емую только нижними витками теплообменной камеры, что уменьшает отводимый (подво0 димый) тепловой поток, снижает диапазон применени  аппарата дл  процессов со значительными тепловыми нагрузками при переменном коэффициенте заполнени .

5Цель изобретени  - интенсификаци 

жидкофазных процессов за счет создани  развитой поверхности теплообмена и значительных скоростей обтекани  рабочей среды теплообменных поверхностей, опре0 дел емых полным расходом рабочей среды, создаваемой винтом, а также расширени  диапазона применени  аппарата по коэффициенту заполнени  аппарата без увеличени  мощности электропривода.

5 Поставленна  цель достигаетс  тем, что в реакторе между корпусом и теплообменником устанавливаетс  кольцева  теплооб- менна  камера. Кожухотрубчатый теплообменник у трубной доски вверху

0 снабжен конической перегородкой с отверстием дл  ввода вала с винтовым перемешивающим устройством в циркул ционную трубу, котора  в нижней части у трубной доски соединена с днищем кольцевой теп5 лообменной камеры, установленной кон- центрично между корпусом аппарата и кожухом кожухотрубчатого теплообменника . Кольцева  камера выполнена перфорированной по высоте р дом сквозных переливных отверстий, расположенных от

верхнего торца до минимального уровн  заполнени , при этом суммарна  площадь отверстий уменьшаетс  от 0,8-1,8 в первых сквозных отверсти х по ходу рабочей среды до U,4-0,8 от площади проходного сечени  циркул ционной трубы в зоне винта в последних сквозных отверсти х. Площади каждого кольцевого пространства, образованного стенками теплообменной камеры и суммарна  площадь труб кожухотрубчатого теплообменника имеют соотношени :

- -ПЯ-1 R

Р U,О I ,Э.

кп2 гтр

Сопоставительный анализ с известным устройством показывает, что он дополнительно имеет кольцевую камеру, расположенную между теплообменником и корпусом аппарата, котора  перфорирована по высоте.

На фиг.1 приведен аппарат, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А, Б-Б, В-В на фиг.1; на фиг.З - зависимости скорости рабочей среды (У), отводимого теплового потока ( Ф), коэффициента сопротивлени  (|) от соотношений проходных сечений.

Реакционный аппарат содержит корпус 1, винтовое перемешивающее устройство 2, встроенный кожухотрубчатый теплообменник 3, расположенный снаружи циркул ционной трубы 4, кольцевую теплообменную камеру 5. Наружное кольцевое пространство аппарата 6 образовано между корпусом аппарата 1 и наружной обечайкой кольцевой камеры 5, внутреннее кольцевое пространство 7 образовано между внутренней обечайкой кольцевой камеры 5 и кожухом кожухотрубчатого теплообменника 3.

Кожухотрубчатый теплообменник 3 снабжен вверху встроенной конической перегородкой 8 с отверстием 9 дл  ввода вала 10, циркул ционна  труба 4 соединена с днищем 11 теплообменной камеры 5. Кольцева  камера 5 перфорирована по высоте р дом отверстий 13- расположенных в первом р ду по ходу рабочей среды (фиг. 2в), 14 - расположенных во втором р ду по ходу рабочей среды (фиг. 26), 15 - расположенных в последнем р ду по ходу рабочей среды (фиг. 2а). Винтовое перемешивающее устройство 2 расположено в цилиндрической вставке 16, расположенной в циркул ционной трубе 4.

Аппарат работает следующим образом.

Включаетс  электродвигатель с винтовым перемешивающим устройством 2. Возникает следующее циркул ционное движение рабочей среды: вверх по внутренней циркул ционной трубе 4, затем поворот

среды у верхней конической перегородки 8 вниз по трубам теплообменника 3, нижний поворот у днища 11 теплообменной камеры 5, перелив через р д отверстий 13-15, раз- 5 мещенных в кольцевой теплообменной камере 5, в наружное кольцевое пространство 6 и затем снова во внутреннюю трубу 4. При минимальном уровне заполнени  среда циркулирует через р д нижних отверстий 0 13, расположенных в кольцевой теплообменной камере 5 (фиг. 2в), при увеличении уровн  заполнени  циркул ци  среды проводитс  через средний р д отверстий 14 и затем через верхний р д отверстий 15. При

5 максимальном уровне заполнени  среда циркулирует через все р ды отверстий 13- 15 и через верхний торец кольцевой тепло- обменной камеры,

Вследствие того, что кожухотрубчатый

0 теплообменник снабжен вверху конической перегородкой с отверстием дл  ввода вала во внутреннюю циркул ционную трубу, расположенную по оси кожухотрубчатого теплообменника , котора  в нижней части у

5 трубной доски соединена с днищем кольцевой теплообменной камеры, то весь расход, создаваемый винтовым перемешивающим устройством, проходит по трубам кожухотрубчатого теплообменника, затем через

0 внутреннее кольцевое пространство аппарата 7 и затем через наружное кольцевое пространство 6. Благодар  тому, что не происходит разделени  потока, достигаетс  увеличение скорости рабочей среды в кожу5 хотрубчатом теплообменнике, а также во внутреннем и наружном канале аппарата, т.е. возникает интенсификаци  теплообмена вследствие создани  многоходовых про- ходных каналов дл  рабочей среды в

0 аппарате, увеличени  соответственно скорости рабочей среды, коэффициента теплоотдачи и теплового потока. А так как коэффициент теплоотдачи от рабочей среды пропорционален ее скорости, т.е. а ш, то

5 достигаетс  увеличение коэффициентов теплоотдачи, выравнивание концентраций среды и температур по объему, увеличение эффективности работы теплообменных устройств , что позвол ет увеличить производи0 тельность аппарата в целом. Происходит интенсивный теплообмен между теплоносителем в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника и рабочей средой, проход щей с увеличенной скоро5 стью по трубам теплообменника и по внутреннему кольцевому пространству, а также интенсивный теплообмен между теплоносителем в кольцепой камере и рабочей средой, проход щей с увеличенной скоростью по внутреннему и наружному кольцевому пространству аппарата, так как коэффициенты теплоотдачи от рабочей среды пропорциональные ее скорости.

Вследствие того, что между кожухом ко- жухотрубчатого теплообменника и корпу- сом установлена коаксиально кольцева  теплообменна  камера, то происходит увеличение теплообмена за счет дополнительной поверхности теплообмена встроенной теплообменной камеры и движени  рабочей среды вдоль ее стенок с увеличенной скоростью . Это позвол ет увеличить эффективность работы теплообменных устройств, интенсифицировать химические процессы, использовать аппарат дл  процессов с боль- шими тепловыми потоками.

Так как кольцева  теплообменна  камера выполнена перфорированной по высоте р дом сквозных отверстий с уменьшающейс  проходной площадью в направлении дви- жени  среды от 0,8-1,8 площади внутренней трубы в первом р ду по ходу Движени  среды до 0,4-0,8 в последнем р ду, то расшир етс  диапазон применени  аппарата по коэффициенту заполнени , возникает возможность работы аппарата не только при максимальном коэффициенте заполнени , но и при минимальном коэффициенте заполнени  при увеличенной скорости среды в аппарате и увеличенном тепловом отводимым (подводимым) потоком . Так как при минимальном уровне за- полнени  аппарата циркул ци  происходит через нижний р д отверстий 13 при отношении проходной площади сечени  отвер- стий к площади циркул ционной трубы

-Ј 0,8-1,8, а не через верхний торец

циркул ционной трубы, то дл  начала циркул ционного движени  не требуетс  увели- чени  пусковой мощности, увеличени  установочной мощности электродвигател . Это снижает металлоемкость и стоимость аппарата, расшир ет диапазон применени  аппарата по коэффициенту заполнени . Ап- парат дает возможности проводить процессы со значительными тепловыми нагрузками при минимальном уровне заполнени , так как при минимальном уровне заполнени  аппарата циркул ци  происхо- дит по циркул ционной трубе вверх, затем вниз по кожухотрубчатому теплообменнику и через нижние отверсти  в кольцевой камере обратно на винт, т.е. среда омывает весь кожухотрубчатый теплообменник и весь его внутренний кожух, что увеличивает поверхность теплообмена при минимальном уровне заполнени  аппарата. Это расшир ет диапазон применени  аппарата по коэффициенту заполнени  дл  процессов со значительными тепловыми потоками.

Так как при максимальном уровне заполнени  циркул ци  осуществл етс  через все отверсти , расположенные по высоте кольцевой камеры, и через верхний торец кольцевой теплообменной камеры, то в общем потоке среды во внутреннем, то кольцевом пространстве и в наружном кольцевом пространстве возникает дополнительна  турбулизаци  за счет струй, про- текаемых через отверсти , что увеличивает дополнительно интенсивность перемешивани , способствует дополнительному выравниванию температур и концентраций по объему аппарата, интенсификации жидко- фазных процессов.

Конструктивное решение позволило уменьшить эквивалентные диаметры проходных сечений рабочей среды во внутреннем и наружном кольцевых пространствах, которые определ ютс  площадью проход4F

ного сечени  по формуле сЬ -, а уменьшение эквивалентных диаметров проходных сечений позвол ет увеличить коэффициенты теплоотдачи от рабочей среды, которые обратно пропорциональны диаметрам эквивалентным, т.е. а -т-, что позвоОэ

л ет также увеличить эффективность работы теплообменного устройства.

Так как при минимальном уровне заполнени  аппарата циркул ци  осуществл етс  через нижний р д отверстий с площадью проходного сечени  0,8-1,8 площади циркул ционной трубы, то при этом возникает возможность получени  минимальных коэффициентов сопротивлени  при протекании среды через нижний р д отверстий, что позвол ет уменьшить потребл емую мощность , увеличить скорость циркул ции среды, увеличить интенсивность теплообмена .

На фиг.З приведена зависимость теплового потока, скорости рабочей среды в трубах теплообменника от отношени  суммарной площади отверстий одного р да к площади циркул ционной трубы - и от отношени  площади кольцевого пространства к площади труб теплообменника

ф ); w f (f e-Fin,

ГгтпГ

-), а так тр - г гтр

же зависимость коэффициента сопротивлени  одного р да отверстий в кольцевой камере от отношени  площади отверстий к площади циркул ционной трубы и отношени  площади кольцевого пространства к площади труб

теплообменника, т.е. (-р,-у).3ависимости приведены дл  аппарата герметичного РГО,4-0,3 дл  синтеза двуокиси тиомочбвины. Как видно из фиг.З при отношении площади отверстий к площади циркул ционной трубы 0,8-1,8 и отношении площади кольцевого пространства к площади труб -J 0,8-1,5 скорость

гтр

рабочей среды в трубах теплообменника достигает максимальной величины (& 1,65 м/с, необходимой дл  проведени  процесса синтеза. Это может быть объ снено уменьшением коэффициента сопротивлени  при протекании потока через отверсти  в стенке кольцевой теплообменной камеры от 4,0 до

2,75 в диапазоне отношений 0,8-1,8,

РКП Fr7

0,7-1,5, так как уменьшаютс  потери

энергии на внезапное сужение, что способствует возрастанию мощности, увеличению расхода, создаваемого винтовым перемешивающим устройством и соответственно возрастанию скорости в кольцевых про странствах аппарата и в трубах кожухотруб- чатого теплообменника и соответственно возрастанию отводимого теплового потока.

Вследствие того, что кольцева  тепло- обменна  камера снабжена горизонтальнымисквознымиотверсти ми , расположенными по ее высоте, с уменьшающейс  площадью отверстий по ходу рабочей среды от 0,8-1,8 площади поперечного сечени  циркул ционной трубы в первом р ду до 0,4-0,8 в последнем р ду, то коэффициент сопротивлени  на внезапное сужение при прохождении через отверсти  возрастает по высоте камеры. Нижний р д отверстий имеет минимальный коэффициент сопротивлени  и вследствие этого возникает посто нна  циркул ци  рабочей среды через нижний р д отверстий с максимальной скоростью, а через верхний и средний р д отверстий с уменьшающейс  скоростью рабочей среды. Вследствие этого не возникает срыва работы винтового перемешивающего устройства при любом коэффициенте заполнени  аппарата, т.е. расшир етс  диапазон применени  аппарата при различных коэффициентах заполнени  при больших тепловых нагрузках.

Верхний и нижний диапазон изменени  отношений площадей отверстий к площади циркул ционной трубы от 0,8-1,8 до 0,4-0,8 выбраны исход  из расчетных данных коэффициентов сопротивлений и скоростей рабочей среды, необходимой дл  проведени  процессов с большими тепловыми нагрузками , и в частности дл  процесса синтеза двуокиси тиомочевины.

5По предложенному решению разработан аппарат вместимостью 0,4 м дл  производства двуокиси тиомочевины. Особенностью процесса синтеза  вл етс  большое тепловыделение в процессе окис10 лени (290 ккал/моль) и необходимость поддерживать температуру реакционной массы в пределах 2-5°С. Аппарат имеет развитую удельную поверхность теплообмена, равf21

ную - 45 м /м и высокую интенсивность

перемешивани , соответствующую турбулентному режиму (Re 34000). Скорости реакционной среды в трубах и в кольцевых пространствах аппарата составл ют 1,65 м/с,

0 что позвол ет достичь развитый турбулентный режим, увеличить коэффициенты теплоотдачи и соответственно отвести значительный тепловой поток при минимальных затратах охлаждающей жидкости.

5 Аппарат предназначен дл  работы при коэффициентах заполнени  аппарата от 0,6 до 0,8 по требованию технологического процесса синтеза двуокиси тиомочевины.

Предлагаемое техническое решение

0 особенно эффективно дл  проведени  химических процессов со значительными тепловыми нагрузками в широком диапазоне изменени  коэффициента заполнени  аппарата .

Claims (1)

1. Реакционный аппарат, содержащий вертикальный корпус, встроенный кожухот- рубчатый теплообменник с центральной циркул ционной трубой, в которой разме0 щено винтовое перемешивающее устройство с цилиндрической вставкой, отличающийс  тем, что, с целью интенсификации жидкофазных процессов за счет создани  многоходового циркул ционного потока ра5 бочей среды, а также расширени  диапазона применени  по коэффициенту заполнени  при б ольших тепловых нагрузках , он снабжен установленной между корпусом и теплообменником кольцевой

0 теплообменной камерой с расположенными по высоте горизонтальными р дами сквозных отверстий с уменьшающейс  площадью сечени  по ходу рабочей среды в соотношении от 0 8 18 площади проходно5 го сечени  циркул ционной трубы в первом р ду сквозных отверстий до 0,4-0,8 в последнем р ду сквозных отверстий и конической перегородкой соедин ющей кожухотрубчатыи гс-ппообм нмик с циркул ционной трубой -ко ор.ч  у ни кней трубной

доски теплообменника соединена с днищемпространства аппарата к площади труб кокольцевой камеры.жухотрубчатого теплообменника составл 2 . Аппарат по п.1,отличающийс ет 0,8-1,5. тем, что отношение площади кольцевого

Выход теплоносител 

г J0

/J L

п

-р Jit TIT

- -1

-.-L-Jlrnl

Выхоо теплоносител  Вход теплоносител 

Фм.1

1

А

А-А

Фм.2

Ъо$иСиМОС7у л r ff forf . Гкл Л ,

WdLT .-fr)

%) &(№.&)

И V5 W. КтЬ.